熱點：大型對撞機爭辯：高能物理的中國未來

吳麗瑋

“如果CEPC確定在中國建造的話，很多國外的科學家會來中國，這個流動是必然的，對撞機在哪兒，就意味著做最好科學的潛力在哪兒。”

9月初，著名華裔物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧教授公開發表文章《中國今天不宜建造超大對撞機》，從預算、中國國情、物理目標等角度對這一項目表示反對。中科院高能物理研究所所長王貽芳院士次日即發表文章《中國今天應該建造大型對撞機》，對楊振寧提出的意見逐條反駁，華裔數學家丘成桐也對中國建造大型對撞機表達了支持態度。

實際上，大型對撞機項目在今年6月向國家發改委申請“十三五”項目支持的過程中，已經因為一票之差未能進入下一輪評審。目前，中科院高能物理研究所獲得了科技部初步批準的3600萬元資金支持，用以對計劃發展項目的探測器和加速器部分關鍵技術進行預制研發。大型對撞機的中國未來，依然無法確定。

針對公眾關心的成本預算、科研目標、未來風險等問題，我們采訪了中科院高能物理研究所的兩位科學家，一位是從70年代中期參與中國高能加速器項目的資深科學家、高能所原副所長張闖研究員，另一位是參加歐洲核子研究中心大型強子對撞機實驗、由國家“青年千人計劃”引進回國的青年科學家朱宏博副研究員，他們分別是研究對撞機的兩個主要構成部分——加速器和探測器的專家。同時我們還采訪到北京大學物理學院的馬伯強教授，他是多年從事高能物理理論研究的長江特聘教授，我們希望能從更公平和廣泛的專業視角對這個問題提供具有參考性的意見。

中科院高能所原副所長張闖（右）與青年科學家朱宏博

三聯生活周刊：最近對大型對撞機的爭論很多，但對于普通人來說，這個問題的討論門檻很高，能否向普通讀者科普一下什么是大型對撞機？

張闖：對撞機是研究物質深層次微觀結構最重要的高能物理實驗裝置，兩束粒子在加速器的真空管道中加速，然后對撞，再用探測器搜集碰撞后的產物，就可以獲得物質微小尺度上的信息。高能物理實驗就是要“破壞”粒子，打碎它，研究它們內部的結構。

加速器和探測器并不神秘。老式的顯像管電視機，里面就有電子槍，也可以說是一臺小小的加速器。打開電視機，可以看到在顯像管上面寫著“高壓危險，5000伏”，這就是說它可以把電子加到5000電子伏特（eV）的能量。電子被加速后打到屏幕上，屏幕就是一個探測器，電子被掃描、調制之后就成為人們看到的電視畫面。不同的是，高能物理研究用的對撞機要把粒子加速到非常高的能量，比如歐洲的大型強子對撞機LHC，將兩束相反方向運動的質子分別加速到7TeV（7×1012eV）的超高能量，質心能量（也稱為有效作用能量）高達14TeV，也就是14萬億電子伏特，這就需要非常龐大、十分復雜的設備。但如果采用質子打靜止靶，要達到LHC相同的有效作用能量，加速器的周長大約要3300公里，差不多要占據整個歐洲大陸，這顯然是不現實的。因此，當今建造的高能量前沿的粒子加速器無一不是對撞機。

高能物理研究里有這樣一個關系：研究的對象越小，需要用作“探針”的束流能量就越高。大家知道，上個世紀初以來，人類對于物質微觀結構的研究，逐步分子、原子、原子核、核子（質子與中子），深入到夸克和輕子的層次。如果做原子層次的研究，大約需要1萬電子伏（1×104eV），研究原子核需要100兆電子伏（1×108eV）;研究更小的強子，比如質子、中子等，那么我們需要1吉（1×109eV），10億電子伏;如果研究強子的內部結構，研究夸克和輕子，我們至少需要1TeV（1×1012eV），也就是1萬億電子伏以上，這就需要對撞機作為研究手段。

三聯生活周刊：大型對撞機項目現在受到了一些質疑，在國際上也出現過一些失敗的大型對撞機項目，比如美國的SSC半途而廢，浪費了30億美元。當然，高能所王貽芳所長曾分析過，SSC失敗的原因主要是政府赤字且與國際空間站爭奪經費、美國兩黨政治斗爭、得州與其他地區的區域競爭等社會原因，但我們是否一定要選擇大型對撞機作為高能物理研究的主要方向，或者說，大型對撞機在高能物理領域處于什么樣的地位？

朱宏博：對撞機目前是高能物理領域的主要研究手段，當然并不唯一。通過宇宙射線、核反應堆產生的中微子等，也可以進行高能物理的實驗研究。對撞機的好處是人工可以控制，流強、亮度很高，能量也可以控制，這樣的話就可以做更深入的研究。

馬伯強：國內高能界的同行們一直都在討論高能物理朝哪個方向發展，除了這個項目之外也提出過別的項目，比如Z工廠、EIC等，但目前的大型對撞機方案是最被理論界和實驗界所看好的。中國在世界高能物理界能取得一席地位，應該說和過去在大型對撞機項目上的成就有很大關系。國內目前最重要的高能物理成就是20世紀80年代建成的北京正負電子對撞機，在30多年的發展中，我們有很大收獲，在這個能區當中獲得了非常重要的發現，比如τ輕子質量的精確測量，這個對標準模型的檢驗是有很大意義，另外還有四夸克態的發現，這個在國際同行當中也引起很大關注

三聯生活周刊：在王貽芳所長提到的大型對撞機項目規劃中，具體的目標分為兩步，第一步是環形正負電子對撞機（CEPC），第二步是超級質子-質子對撞機（SPPC），目前關于CEPC的科學目標論述的比較多，但關于SPPC的論述很少，是不是我們對第二步如何研究還沒有想清楚？CEPC的科學目標用一句話來歸納就是研究希格斯粒子，希格斯粒子為什么這么重要？

朱宏博：2013年的諾貝爾物理學獎就頒給了弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯，以表彰他們在發展賦予基本粒子以質量的希格斯機制方面所做的貢獻。他們的理論工作得到大型強子對撞機（LHC）實驗的證實。希格斯粒子非常重要，它提供了一個機制去解釋粒子質量的起源，這是人類非常感興趣的問題。雖然LHC發現了它的存在，但在LHC上它的精度只能測量到10%的量級，人類對于它的了解還遠遠不夠。關于它本身的性質，包括它的質量和其他粒子的耦合強度，以及它和自己的相互作用等最基本問題都還沒有得到完全的解答。而且標準模型預言了希格斯粒子，我們搞理論的同事也用其他的模型給出其他的預測，我們必須把精度深入，才能區分哪個模型是正確的。

SPPC可以和CEPC共享隧道，我們想把質子對撞機的可能性放在這兒。但是什么時候去建造質子對撞機，是要等很多條件成熟以后才去考慮的事情。我們不是一下子就跨越到質子對撞機，而是需要等待各種條件的成熟，比如超導材料經過20～30年的發展，技術足夠成熟，造價足夠低，這才能夠為SPPC的建造提供必要條件。我們現在對CEPC-SPPC大的科學目標框架是有的，比較清楚的是CEPC，SPPC要研究的東西太多了，我們還有很多年的時間。有一點確定的是，SPPC的能區非常高，目前世界能量最大的LHC是14TeV，SPPC要做到50TeV甚至100TeV。在能級上有一個明顯的拉開，我們會因此有更大的發現新物理的潛力。

馬伯強：如果從科學目標上來否定CEPC的建造，我認為是不合適的。高能物理在新的能區當中，即使沒有突破性的成就，也有很多令這個領域非常新奇的發現，這在科學界是非常常見的。有很多例子，比如我們平常知道的質子和中子，你可能認為，質子、中子發現了就可以了，剩下沒什么事情可做了，但是在質子、中子結構的這個方向上，其實有很多的發現，比如1932年就發現中子有反常磁矩，這非常意外，因為人們都認為質子和中子是點粒子，是基本粒子，那么有反常磁矩的話表明這不是一個基本粒子，這是一個獲諾貝爾獎的工作。另外還有20世紀50～60年代的時候，美國的斯坦福大學制造了一個直線加速器，那個加速器的量級現在來看非常低能，但當時是非常高能的。這個加速器就是用高能的電子轟擊質子，然后揭示出質子有大小，它不是一個點粒子，它的大小大概是1飛米的量級，它的電荷是有分布范圍的，這也是一個獲諾貝爾獎的工作。60年代末的時候，美國直線加速器中心的輕子核子深部非彈性散射揭示了質子的部分子結構，在這個實驗的基礎上，有人做了漸進自由的理論工作，這個實驗和這個漸進自由也分別都是獲諾貝爾獎級別的。

所有這些就是為了說明，并不是發現了希格斯粒子，我們就沒有必要去研究它了。希格斯粒子的很多性質都值得研究，有可能導致很多意外的發現，這些意外的發現都有可能導致科學研究當中突破性的進展，都有可能對物理學產生非常大的影響。而且CEPC是正負電子對撞，它本身有很多優點，它產生的希格斯粒子背景是比較清楚的。LHC是質子和質子對撞，或者質子和原子核對撞，會產生大量粒子，在一片喧鬧當中聽到了非常小的聲音，再把這個非常小的聲音放大。正負電子對撞的時候，能做到在某一個能區中是以希格斯為主的，這時信號就非常清楚。

三聯生活周刊：目前世界上最大、能量最高的粒子加速器是歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC），它的隧道周長是27公里，建在地下深處100米，中國計劃建造的對撞機隧道周長預計50～70公里，甚至可能達到100公里，隧道長度對高能物理研究有何重要意義？如此龐大的一個項目將會建在什么位置？

張闖：對撞機并不都是環形的，也有直線對撞機。在直線對撞機里，兩束粒子在相向安裝的直線加速器中加速，最后進行對撞，比如日本在考慮建設的ILC（國際直線對撞機）。對直線對撞機而言，粒子在加速管中通過時被加速，只能加速一次，不能重復加速。在環形加速器里，則是粒子每通過一圈就在安裝在環里的加速腔中得到一次加速。就拿我們的北京正負電子對撞機來說，粒子在儲存環里每秒鐘回旋120萬圈，也就是一秒鐘可以加速120萬次，效率要高得多。但環形帶來的問題是粒子在里面要拐彎，而相對論性的粒子在拐彎時會沿切線方向發出電磁輻射來，損失能量。這個現象叫作同步輻射。

隨著束流能量的提高，隧道為什么越做越大？有兩個因素，第一是磁場強度的因素。因為要使粒子束偏轉一定的角度，所需要磁場的強度是和能量成正比。如果我們想達到非常高的能量，而磁場又是一定的，那就只能讓半徑更大。第二是上面提到的同步輻射的因素。特別對于電子加速器，它在偏轉的時候發出的同步光要比質子強很多很多倍。半徑越小，同步輻射損失的能量越大;要想減小能量損失，就必須加大環形加速器的偏轉半徑。

項目選址是一個十分復雜的工作，目前還沒有確定。對加速器來說，需要地基很穩定，有堅硬的大片巖石，加速器要建在地下上百米深的隧道里，還要考慮水電和交通的基礎設施等等，以后能建設國際科學城。現在已經在秦皇島附近做了初步的地勘。這種大科學項目對當地的經濟發展的推動作用是非常大的。

馬伯強：高能所這次提出的計劃站得角度比較高，膽子也比較大。過去我們比較保守，比如現在高能物理非常重要的北京正負電子對撞機項目，這個對撞機當年建立的時候，事實上已經不是國際上最先進的了，國際上當時的趨勢是朝能量越來越高發展，但是當時中國國力不可能一下子就建一個世界上最先進的加速器，所以我們選擇了一個特定的能區，即粲物理能區進行發展。這個物理目標在當時也是遭到一些同行非議，這其中就包括楊振寧先生。我的印象是，楊先生說，高能物理發展超出國家當時的發展情況，一些關系國計民生的項目比如生物學的發展，比高能物理的發展更緊迫。但當時李政道、丁肇中先生很支持，最后國家領導人做了決定，還是支持高能所這個項目。當時看這個項目也是有風險的，在那個能量區里，國外同行已經跑馬觀花似地用機器做過探測，但我們用亮度更高的機器集中在這個能量區里發現了別人沒發現的東西。這一次的CEPC提出要做世界上一流的項目，如果這個項目得到批準，中國高能物理界就一下子走到了世界的前列。

三聯生活周刊：我們在參觀北京正負電子對撞機時了解到，大型對撞機最核心的兩方面技術分別來自提供對撞束流的加速器和進行實驗研究的探測器。我看王貽芳所長提到說，北京正負電子對撞機是我們下一步發展的很好的基礎，要充分利用這個項目紅利，把握好未來10年的窗口期。從技術上來說，中國科學家在這兩個領域上是否處于世界領先位置？

張闖：從北京正負電子對撞機（BEPC）開始，經過了30多年的發展，我們取得了一些成就，在國際高能物理領域占據了一席之地，特別是在粲物理研究方面居于國際領先地位。2013年美國物理學會評出當年的“十一大”物理學進展，第一項就給了中科院高能所發現的四夸克粒子（日本也有發現報告）。中國現在已經在高能物理領域擁有了一批科學家。我們探測器的技術主要有北京正負電子對撞機上工作的北京譜儀的基礎，從總體上已經達到了世界先進水平，其中有多項性能指標是世界上同類裝置中最好的。這些探測器的技術可以應用于未來的大型譜儀，當然還要繼續提高性能，發展新型探測器技術。

另外，我們需要加強國際合作，目前的北京譜儀國際合作組，有13個國家和地區的50多個科學單位、400多位科學家在這里做實驗，中國科學家在其中發揮了主導作用。建設CEPC的加速器的技術我們已經相對比較成熟，相信經過關鍵技術的預研就能開始建設，而SPPC還有差距，需要未來的發展，特別是在新型的高場超導磁鐵方面，畢竟我們想要做的是比LHC能量更高、探測層次更深的大型對撞機項目。

朱宏博：預制研發是預算制定中非常重要一部分。很多部件要經過預研才能給一個可靠預算。美國的大型對撞機項目SSC失敗的重要原因之一是預研做得不夠充分，在技術不夠成熟的情況下倉促上馬，造成工期延長、造價上升，從一開始的30多億美元預算增長到超過100億美元，逐漸無法控制，最終在已經花了很多錢的情況下被迫停止。我們目前已經拿到了科技部的3600萬元的首期預研經費，只有把預研做扎實了，后面才能有一個更可靠的估計。加速器和探測器的預研工作兩年前就開始啟動，CEPC計劃在2020年開始挖隧道，探測器的建造會靠后，有更多時間可以做相關研究。

三聯生活周刊：在楊振寧的反對意見中，一個重要的理由是大型對撞機的投入將會是一個無底洞，對它的投入將擠壓其他基礎科學的研究經費。王貽芳所長在前幾天的回應里也反駁了上述觀點，他認為中國目前的基礎研究經費只占研發經費的5%，而發達國家一般是15%，目前我國的基礎研究經費還存在巨大的增長空間，大約每年1000億元人民幣以上，因此不存在擠壓其他基礎科學經費的問題。但如何來確保CEPC-SPPC不會像美國的SSC一樣因為預算嚴重超支而流產？

張闖：按100公里隧道的對撞機來估計，一期CEPC約在2022～2030年建設，工程造價（不包括土地、“七通一平”等）約400億元人民幣。如果這一步成功，且高場磁鐵所需新型超導材料技術成熟，價格下降到合理水平，未來二期SPPC的工程造價估算為1000億元人民幣，建設時間在2040～2050年。隧道長度還沒有最后確定，50、70、100公里都有可能，主要是考慮性價比的優化問題，如果是100公里隧道的話，那么一期工程預算約為人民幣400億元，期望國際貢獻30%以上，其余70%～80%由中國承擔，大約300億元。

國家發改委對大科學裝置預算估計要求非常嚴格，每一個大型設備都要有預算清單，高能所多年來做的項目，經費上控制都比較好。目前我們經費估算的方法有兩種。第一種是推算模式，從國外現有的加速器成本來推算國內條件下的加速器，當然要加減各種因素，比如我們的人員費不包含在經費中。另一個方法是一個部件一個部件累加計算，兩種方法的差別在20%以內。

三聯生活周刊：楊振寧的反對意見里提到，70年來高能物理的大成就對人類生活沒有任何實在好處，而且短中期仍舊不會有。你們如何來評價他的判斷？

張闖：建造對撞機的目的是研究物質深層次微觀結構及其轉化規律，現在確實看不到實際的用處。但未來應當會有用處，就像電子，當初發現的時候也覺得沒用，但現在已經離不開電子了。

建造對撞機的過程對科學研究和國民經濟有非常大的促進作用。比如之前提到的會造成能量損失的同步輻射效應，已經被證明在其他領域非常有用。同步輻射光比常規的X光機的亮度高千億倍以上，可以用在生命科學、材料科學、環境科學和凝聚態物理等領域，比如可以用它來研究蛋白質的結構和功能。我國近幾年建成的上海光源，就是一臺在國際上性能最好的專用同步輻射裝置之一。對撞機集中了大量高新技術，包括微波技術、超導高頻技術、超導磁鐵技術、超高真空技術、機械加工工藝、計算機網絡、快速電子學、大功率電源、先進的自動控制技術等。對撞機的建設可以推動相關高科技工業和新興產業的發展，提高我國的科技實力與整體工業水平，其中有些技術成果可直接轉化到與國民經濟密切相關的領域。比如對撞機中發展的射頻功率源，可應用于電視技術和雷達等。

朱宏博：還有一個尤其重要的是磁鐵的研究。現在的歐洲LHC用的磁場是8個特斯拉左右，是地磁強度的10萬倍左右，將來SPPC要用到20個特斯拉乃至更高的超導磁鐵，這個技術現在全世界也沒有。SPPC會帶動超導技術發展，可以用來做電機、核磁共振，在人口、環境、工業、農業等領域都有非常廣泛的應用。技術會引導應用，很多加速器和探測器的技術，可以在國土安全、航空航天、醫療成像、工業探測上有應用。

而且大科學裝置也有相當大的科學教育的價值。我們高能所雖然在每年5月有開放日，但是和CERN（歐洲核子研究中心）比起來要差得遠了，我在CERN工作的時候幾乎每天都能看到絡繹不絕的來參觀的小朋友，說實話我很羨慕這些小朋友。

三聯生活周刊：大型對撞機如果建造成功，將對中國在世界科學界的地位有什么影響？

張闖：會使中國成為國際高能物理研究的中心。我們的北京正負電子對撞機在它工作的粲物理能區是世界上性能最好的裝置，它的主要指標對撞亮度是同一能區的美國康奈爾大學對撞機的亮度的14倍，所以他們的對撞機就終止了工作，美國科學家來北京做實驗，參加合作組。中國科學家在BEPC上，加速器和探測器的研制，到實驗方案制定、實驗數據處理，都是發揮了積極的主導作用。將來的CEPC-SPPC也會是這樣。

朱宏博：如果CEPC確定在中國建造的話，很多國外的科學家會來中國，這個流動是必然的，對撞機在哪兒，就意味著做最好科學的潛力在哪兒。

另一方面非常重要的是對中國科學家隊伍的培養。這種對基礎科學的持續投入一定會收到回報，可以參考日本的例子。積累一定時間，從量變到質變，會產生一大批頂級的科學成果，也會產生一大批最優秀的科學家。公眾關心的諾獎也是水到渠成的，后面自然會有，當然那并不是我們一開始的目的，只是副產物罷了。